一種新的視角可控的液晶顯示仿真研究

吳婷婷，蘇子芳，鐘德鎮(zhèn)，姜麗梅

（昆山龍騰光電有限公司，江蘇 昆山 215301）

1 引 言

薄膜晶體管液晶顯示器（Thin Film Transistor Liquid Crystal Display，TFT－LCD）由于其低輻射、輕薄、低功耗等特點已成為發(fā)展最為迅速的平板顯示技術(shù)之一［1］。扭曲向列相（TN：Twist Nematic）液晶顯示模式的發(fā)明帶來的技術(shù)革命使TFT－LCD幾乎占領了全部的桌上型顯示器市場。然而較窄的可視角度范圍視角窄限制了TFT－LCD在如醫(yī)療、航空設計以及電視等領域的應用。

傳統(tǒng)TN型顯示模式通過使用視角補償膜型偏光片，在很大程度上擴大了顯示視角，但在大視角觀察時仍存在灰階反轉(zhuǎn)及色偏現(xiàn)象［2］。目前市面上應用最廣泛的廣視角技術(shù)如垂直取向（Vertical Alignment，VA）通過在電極上形成凸起物（Protrusion）或電極狹縫（Slit）以實現(xiàn)液晶分子不同疇的指向矢分布，在外加電壓下液晶分子由垂直站立轉(zhuǎn)到平行基板排列。VA顯示技術(shù)因其寬視角、高對比度、無需摩擦配向等優(yōu)勢，被廣泛應用于TV等大尺寸應用領域。面內(nèi)轉(zhuǎn)換開關（In－Plane Switching，IPS）［3－4］技術(shù)是指通過控制液晶分子在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)亮度控制，使得人眼在接近85°的傾斜角下觀看仍可獲得較高的圖像顯示質(zhì)量。相比TN顯示模式，上述兩種模式因在視野角特性、動態(tài)清晰度、色彩還原效果方面的優(yōu)勢，已被廣泛應用于航天、醫(yī)療、TV、個人移動設備等領域。

而作為個人移動終端設備應用，在某些特定場合的保密性要求日趨增高，同時又要具備很好的觀賞性。使用者對于分享性及資料機密性具有不同的視角需求，單一視角模式的顯示器件已經(jīng)不能滿足使用者的需求。以手機屏為例，在公共場合與家人朋友發(fā)短信或視頻時希望窄視角的顯示達到保護私人信息的目的，而有時又希望可以切換到寬視角模式與家人朋友一起分享顯示內(nèi)容。

目前針對視角切換模式研究的幾種方法包括［5－7］：（1）改變出射光線方向?qū)崿F(xiàn)寬窄視角顯示［8］；（2）控制不同方向優(yōu)化像素結(jié)構(gòu)；（3）控制不同暗態(tài)電壓以實現(xiàn)寬窄視角切換，如在液晶盒上添加一個單層補償膜［9］。

本文的視角切換技術(shù)是一種基于VA模式的顯示設計。與上述第3種方法不同的是本文通過在系統(tǒng)Tcon ROM中燒錄兩版code，寬窄視角顯示時分別采用不同的Tconcode編譯驅(qū)動電壓從而實現(xiàn)寬窄視角切換。本文提供的方法結(jié)構(gòu)簡單，使用者只需選擇不同的顯示模式而無需外置視角控制開關，可以大大減輕面板重量，節(jié)省成本。

2 器件設計原理

本文提出一種基于PVA（Patterned Vertical Alignment）液晶顯示技術(shù)的視角切換模式技術(shù)，如圖1所示。PVA分別在上、下玻璃基板蝕刻出條形電極，利用上、下基板條形電極間形成的斜向邊沿電場使負性液晶分子在開態(tài)時倒向不同方向獲得寬視角特性。PVA結(jié)構(gòu)消除了MVA技術(shù)中凸起附近的黑態(tài)漏光而有效地提高了對比度。

圖1 PVA液晶顯示面板子像素示意圖Fig.1 Diagram of sub－pixel with PVA LCD

本文的技術(shù)方案是在PVA TFT－LCD顯示驅(qū)動電路上設置用于寬視角與窄視角切換的開關。搭配Tcon存儲單元中用于顯示灰階的代碼實現(xiàn)寬視角與窄視角模式間的切換，如圖2所示。

圖2 視角可控顯示器的系統(tǒng)功能示意圖Fig.2 Schematic diagram of system function of viewing angle controllable LCD

具體操作：（1）當開關切換到寬視角模式（WVA Mode）時，Tcon按照信號來源需求的灰階信息向面板提供灰階電壓。此時液晶分子指向矢分布如圖3（a）（c）所示，暗態(tài)液晶分子垂直玻璃基板排列；亮態(tài)液晶分子由于受上下垂直電場的作用，分子短軸平行電場線排列，液晶分子長軸則垂直于玻璃基板排列，ITO slit處的液晶分子由于無電場作用仍保持垂直站立。（2）當開關切換到窄視角模式（NVA Mode）時，若信號來源需求輸出最高灰階數(shù)時，強制輸入面板的灰階電壓為寬視角模式時最大灰階電壓。例如，針對一個設計可輸出6bit（0～63共64個灰階顯示）系統(tǒng)，選擇X＝10的設計，則當開關切換至窄視角模式，外部輸入信號要求顯示0灰階時，實際通過Tcon控制輸入面板的驅(qū)動信號為寬視角模式時10灰階的信號。如圖3（b）所示，窄視角模式下的暗態(tài)液晶分子在不加電的黑態(tài)不是完全垂直排列，而是和基板有一定的傾斜角度。當外部輸入需求顯示大于等于53灰階的信號，則強制全部輸出寬視角模式時63灰階的電壓。如圖3（d）所示，亮態(tài)下液晶分子平行于玻璃基板排列，且兩種模式液晶分子排布指向矢相同。此時兩種模式的伽瑪曲線如圖4所示。

圖3 寬視角模式與窄視角模式液晶指向比較示意圖Fig.3 LCdirector comparison between WVA and NVA mode

圖4 寬窄視角模式伽馬曲線對比Fig.4 Gammacurve comparison between the WVA and NVA mode

3 仿真結(jié)果及分析

PVA顯示為一種垂直配向的常黑模式，它使用的液晶分子為一軸性媒質(zhì)，PVA透過率特性和IPS顯示一樣，公式如下［2］：

φ為偏光片吸收軸與液晶分子轉(zhuǎn)動面之間的夾角，當φ＝45°時，PVA顯示的光利用效率最高，通過液晶分子轉(zhuǎn)動改變液晶的Δnd從而實現(xiàn)亮暗顯示。

本文使用Techwiz3D模擬軟件，通過建立基于VA模式的像素電極模型 ，液晶使用負性液晶Merk131496，Δn＝0.109 2，Δε＝－3.7，γ1＝86m·Pa·s，cell gap設置為3.2μm。透過率分布模擬結(jié)果如圖5所示。由于暗態(tài)時使用了較高的驅(qū)動電壓，窄視角模式在暗態(tài)時體現(xiàn)了較大的暗態(tài)漏光，從其像素正面透光圖也能看到明顯的漏光。而亮態(tài)顯示時，由于寬視角模式與窄視角模式使用了相同的驅(qū)動電壓，所以亮態(tài)的透過率分布相同。針對該技術(shù)的視角特性仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 視角特性比較Fig.6 Comparison of view angle characteristics

圖7 寬視角模式的V－T曲線模擬結(jié)果Fig.7 Simulation result of the V－Tcurve of the wide－viewing mode

圖8 （a）寬視角模式下在上／下／左／右視角80°的視角；（b）窄視角模式下在上／下／左／右視角20°的視角.Fig.8 （a）Viewing angle of up／down／left／right viewing at 80°of wide－viewing mode；（b）The viewing angle of up／down／left／right viewing at 20°of narrow－viewing mode.

從圖6可以看出，當顯示器件工作在窄視角模式時，其上、下、左、右4個方向的視角不足40°，而當顯示器工作在寬視角模式時，其上、下、左、右4個方向的視角均大于80°。針對該技術(shù)的顯示器件的V－T曲線仿真結(jié)果如圖7，使用該V－T曲線作為寬視角模式標準伽馬曲線，圖8是使用Techwiz3D模擬在不同視角下觀看圖像得到的模擬圖。

4 結(jié) 論

提出了一種基于VA模式的視角切換技術(shù)，使用者通過選擇不同的Tconcode，兩套code對應編譯不同的驅(qū)動電壓。當要求寬視角顯示時，Tcon輸出標準Gamma2.2曲線；當要求窄視角顯示時，則Tcon給面板一個預先設置的偏移量。通過使用三維仿真軟件模擬分析發(fā)現(xiàn)，亮態(tài)下寬窄視角有相同的透過率分布，而在窄視角模式下斜視角方向有很大的暗態(tài)漏光，導致斜視方向?qū)Ρ榷冉档停暯亲冃?。相比傳統(tǒng)的在液晶盒上添加補償膜技術(shù)，本文提供的方法可以很好地實現(xiàn)寬視角與窄視角模式切換，且不會帶來額外的制作及材料成本，是一種理想的可實現(xiàn)寬窄視角切換的顯示方法。

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